1、 湖南文理学院电气工程系湖南文理学院电气工程系 本章重点v数字光纤通信系统的性能指标数字光纤通信系统的性能指标(误码、抖动）误码、抖动）v数字光纤通信系统的设计数字光纤通信系统的设计8.1 8.1 数字传输模型数字传输模型 目前，目前，ITU-T已经对光纤通信系统的各个速率、各个已经对光纤通信系统的各个速率、各个光接口和电接口的各种性能给出具体的建议，系统的性能光接口和电接口的各种性能给出具体的建议，系统的性能参数也有很多，这里介绍系统最主要的两大性能参数：参数也有很多，这里介绍系统最主要的两大性能参数：误误码性能和抖动性能。码性能和抖动性能。1误码性能误码性能 系统的误码性能是衡量系统优劣的
2、一个非常重要的指系统的误码性能是衡量系统优劣的一个非常重要的指标，它反映数字信息在传输过程中受到损伤的程度。标，它反映数字信息在传输过程中受到损伤的程度。通常用通常用长期平均误码率、误码的时间百分数和误码秒长期平均误码率、误码的时间百分数和误码秒百分数百分数来表示。来表示。8 8.2 2光纤通信系统的性能指标光纤通信系统的性能指标8 8.2 2光纤通信系统的性能指标光纤通信系统的性能指标（1 1）长期平均误码率简称误码率）长期平均误码率简称误码率(BER(BER：Bit Error Bit Error Rate)Rate)它表示传送的码元被错误判决的概率，它表示传送的码元被错误判决的概率，BE
3、R=BER=错误比特错误比特/总比特数总比特数 BER BER不能反映系统是否有突发性、成群的误码存不能反映系统是否有突发性、成群的误码存在，为了有效地反映系统实际的误码特性，还需在，为了有效地反映系统实际的误码特性，还需引入误码的时间百分数和误码秒百分数。引入误码的时间百分数和误码秒百分数。(2)(2)劣化分（劣化分（DMDM）：）：是指每分钟的是指每分钟的BERBERavav劣劣于于1 11010-6-6的分钟。的分钟。(3)(3)严重误码秒（严重误码秒（SESSES）：）：是指是指BERBERavav劣于劣于1 11010-3-3的秒。的秒。(4)(4)误码秒（误码秒（ESES）：）：有
4、误码的秒称为误码有误码的秒称为误码秒。秒。这是由于现代通信中的数据业务是成块这是由于现代通信中的数据业务是成块发送的，发送的，如果如果1 1秒中有误码，秒中有误码，相应的数据块相应的数据块都要重发。都要重发。需要说明的是，需要说明的是，DMDM、SES SES、ES ES要求用平均要求用平均时间百分数来表述，时间百分数来表述，即即DMDM、SES SES、ES ES是相对是相对于整个测试时间（几天至一个月）的百分数。于整个测试时间（几天至一个月）的百分数。具体的误码性能指标如表所示。具体的误码性能指标如表所示。2抖动性能抖动性能 所谓数字信号的抖动一般指定时抖动，它是数字传输所谓数字信号的抖动
5、一般指定时抖动，它是数字传输中的一种不稳定现象，即数字信号在传输过程中，脉冲在中的一种不稳定现象，即数字信号在传输过程中，脉冲在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的一种现象，时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的一种现象，这种现象就称为抖动。这种现象就称为抖动。抖动的单位是抖动的单位是UI(Unit Interval)单单位时隙位时隙 抖动产生的原因主要有：抖动产生的原因主要有：由于噪声引起的抖动。由于噪声引起的抖动。时钟恢复电路产生的抖动。时钟恢复电路产生的抖动。其他原因引起的抖动。其他原因引起的抖动。8 8.2 2光纤通信系统的性能指标光纤通信系统的性能指标例如，在逻辑电路中，当
6、输入信号阶跃时，由于信号例如，在逻辑电路中，当输入信号阶跃时，由于信号叠加了噪声，输入信号提前超过了逻辑电路的门限电叠加了噪声，输入信号提前超过了逻辑电路的门限电平，从而引起抖动平，从而引起抖动 在时钟恢复电路中有谐振放大器，如果谐振回路元件在时钟恢复电路中有谐振放大器，如果谐振回路元件老化，初始调谐不准等因素可引起谐振频率的变化，老化，初始调谐不准等因素可引起谐振频率的变化，这样，这种输出信号经时钟恢复电路限幅整形恢复为这样，这种输出信号经时钟恢复电路限幅整形恢复为时钟信号时就会出现抖动。时钟信号时就会出现抖动。引起抖动还有其他原因，如数字系统的复接、分接引起抖动还有其他原因，如数字系统的复
7、接、分接过程，光缆的老化等。过程，光缆的老化等。不同码速率的1UI时间 由于抖动难以完全消除，为保证整个系统正由于抖动难以完全消除，为保证整个系统正常工作，根据常工作，根据ITU-T建议和我国国标，抖动的性建议和我国国标，抖动的性能参数主要有：能参数主要有：输入抖动容限；输入抖动容限；输出抖动；输出抖动；抖动转移特性。抖动转移特性。8.3光纤通信系统的性能指标光纤通信系统的性能指标是系统能容忍的输入信号中引入的抖动最大值。该参是系统能容忍的输入信号中引入的抖动最大值。该参数反映系统对抖动的承受能力。数反映系统对抖动的承受能力。是系统在无输入抖动的条件下允许输出信号中产生的是系统在无输入抖动的条
8、件下允许输出信号中产生的抖动最大值。该参数反映了系统本身引入的抖动程度。抖动最大值。该参数反映了系统本身引入的抖动程度。系统输出信号的抖动与输入信号中具有对应频率的抖系统输出信号的抖动与输入信号中具有对应频率的抖动之比。动之比。v漂移特性漂移特性 抽样时刻相对其理想时间位置的抽样时刻相对其理想时间位置的长时间偏移。规定主时钟最大长期绝对漂移长时间偏移。规定主时钟最大长期绝对漂移3us3us，从时钟最大相对漂移，从时钟最大相对漂移1us1usv延迟特性延迟特性v系统可靠性系统可靠性v系统的可靠性一般采用故障统计分析法，即根据实系统的可靠性一般采用故障统计分析法，即根据实际调查结果，统计足够长时间
9、内的可用时间和不可用时际调查结果，统计足够长时间内的可用时间和不可用时间，然后用可用性指标来表示。所谓可用性是指可用时间，然后用可用性指标来表示。所谓可用性是指可用时间占系统全部运营时间的百分比。间占系统全部运营时间的百分比。8.7.1 系统总体设计考虑 8.7 光纤通信系统总体设计8.7.2 总体设计方法 8.7.3 8.7.3 功率预算：损耗受限系统功率预算：损耗受限系统v所谓损耗受限系统，是指光纤通信的中继距离受诸传所谓损耗受限系统，是指光纤通信的中继距离受诸传输损耗参数的限制，如光发送机的平均发光功率、光输损耗参数的限制，如光发送机的平均发光功率、光缆的损耗系数、光接收机灵敏度等。缆的
10、损耗系数、光接收机灵敏度等。v图图8-78-7示出了无中继器和中间有一个中继器的数字光纤示出了无中继器和中间有一个中继器的数字光纤线路系统的示意图线路系统的示意图 图8-7数字光纤线路系统的示意图，功率预算：损耗受限系统功率预算：损耗受限系统v图中符号：图中符号：T,T:T,T:光端机和数字复接分接设备的接口；光端机和数字复接分接设备的接口；TxTx:光发射机或中继器发射端；光发射机或中继器发射端；Rx:Rx:光接收机或中继器接收端；光接收机或中继器接收端；C C1 1,C,C2 2:光纤连接器；光纤连接器；S:S:靠近靠近TxTx的连接器的连接器C C1 1的接收端；的接收端；R:R:靠近靠
11、近RxRx的连接器的连接器C C2 2的发射端；的发射端；SR:SR:光纤线路，包括接头。光纤线路，包括接头。功率预算：损耗受限系统功率预算：损耗受限系统v损耗受限系统中的中继距离可用下式计算损耗受限系统中的中继距离可用下式计算 (8.1)针对式中各参数的含义与取值，做如下说明：针对式中各参数的含义与取值，做如下说明：Pt：光发送机平均发光功率光发送机平均发光功率这是设备本身给出的技术指标，以这是设备本身给出的技术指标，以dBm为单位。为单位。功率预算：损耗受限系统功率预算：损耗受限系统rP2tcEscPAMLaam Pr：光接收机灵敏度光接收机灵敏度v它也是设备本身给出的技术指标，也以它也是
12、设备本身给出的技术指标，也以dBm为单位。为单位。Ac：活动连接器的损耗活动连接器的损耗v活动连接器又称活接头，它把光纤线路和光终端设备连活动连接器又称活接头，它把光纤线路和光终端设备连接在一起，可以方便的进行拆装。因在光发送机与光接接在一起，可以方便的进行拆装。因在光发送机与光接收机上各有一个活接头，故式中为收机上各有一个活接头，故式中为2Ac。v一般取值一般取值Ac=0.5 dB。功率预算：损耗受限系统功率预算：损耗受限系统 ME：设备富余度设备富余度v关于关于ME的概念，主要考虑光终端设备在长期使的概念，主要考虑光终端设备在长期使用过程中会出现性能老化。一般取用过程中会出现性能老化。一般
13、取ME3 dB。功率预算：损耗受限系统功率预算：损耗受限系统 a：光纤的损耗系数光纤的损耗系数v该参数我们已经熟知，它的取值由所供应的光缆参数该参数我们已经熟知，它的取值由所供应的光缆参数给定，单位为给定，单位为dB/km。其典型值为：在其典型值为：在1310nm波长，波长，0.30.4dB/km；在在1550nm波长，波长，0.150.25dB/km。功率预算：损耗受限系统功率预算：损耗受限系统 as：平均每公里接续损耗平均每公里接续损耗v在具体施工中需要把一盘盘的光缆用熔接机连接在具体施工中需要把一盘盘的光缆用熔接机连接起来才能形成较长的传输线路。随着技术的不断起来才能形成较长的传输线路。
14、随着技术的不断发展，每个熔接点的衰耗可以保证在发展，每个熔接点的衰耗可以保证在0.05dB以下。以下。v一般来讲，光缆每盘长度为一般来讲，光缆每盘长度为2 km，所以可取所以可取as=0.05/2 dB。功率预算：损耗受限系统功率预算：损耗受限系统 mc：光缆富余度光缆富余度v光缆在长期使用中性能会发生老化。尤其是随光缆在长期使用中性能会发生老化。尤其是随环境温度的变化环境温度的变化(主要是低温主要是低温)，其损耗系数会增，其损耗系数会增加，故必须留出一定的余量。加，故必须留出一定的余量。v一般取值为一般取值为mc=0.10.2 dB/km。功率预算：损耗受限系统功率预算：损耗受限系统v知道知
15、道(81)式中各参数的物理意义与取值范围，则可以式中各参数的物理意义与取值范围，则可以很容易的计算出最大中继距离了。当然也可以根据予很容易的计算出最大中继距离了。当然也可以根据予先设计好的中继距离去计算对某些参数的要求，如对先设计好的中继距离去计算对某些参数的要求，如对光纤的损耗系数的要求或对光发送机发光功率、光接光纤的损耗系数的要求或对光发送机发光功率、光接收机灵敏度的要求等。收机灵敏度的要求等。功率预算：损耗受限系统功率预算：损耗受限系统 8.7.4 8.7.4 色散影响的中继距离色散影响的中继距离v 对于损耗较低的光纤传输系统，对于损耗较低的光纤传输系统，光纤光纤色散使得脉冲展宽得很严重
16、，色散使得脉冲展宽得很严重，出现码间干扰，出现码间干扰，从而限制了传输距离。从而限制了传输距离。码间干扰的严重程度码间干扰的严重程度可以用相对均方根脉宽表示，可以用相对均方根脉宽表示，即即Tv 其中，其中，是均方根脉冲宽度，是均方根脉冲宽度，T是码是码元持续时间，元持续时间，为为106/B，B为比特速率，为比特速率，单单位为位为Mb/s。而而=DL，D是光纤色散系数是光纤色散系数（单位为（单位为ps/(kmnm)），），L是光纤长度是光纤长度（单位为（单位为km），），是光源的均方根谱宽是光源的均方根谱宽（单位为（单位为nm）。）。因此因此BDL610(8.2)v上式中上式中为光脉冲的相对展宽
17、值。当光源为多纵模激光器为光脉冲的相对展宽值。当光源为多纵模激光器时，时，0.115；当光源为发光二极管时，当光源为发光二极管时，0.306;为光源的根均方谱宽，单位为为光源的根均方谱宽，单位为nm;D（）为所用光纤的色散系数，单位为为所用光纤的色散系数，单位为ps/kmnm;B为线路码的码率，单位为为线路码的码率，单位为M Mbit/s。色散受限系统：色散预算色散受限系统：色散预算 当光源器件为单纵模激光器（当光源器件为单纵模激光器（SLM）时，啁啾声引起时，啁啾声引起的脉冲展宽占主要地位，其中继距离为的脉冲展宽占主要地位，其中继距离为 （8.3）其中其中 为啁啾声系数。对分布反馈型（为啁啾
18、声系数。对分布反馈型（DFB）单纵模激单纵模激光器而言，光器而言，=46ps/nm；对量子阱激光器而言，对量子阱激光器而言，=24 ps/nm;D（）仍为单模光纤的色散系数，单位为仍为单模光纤的色散系数，单位为ps/kmnm;为系统的工作波长上限，单位为为系统的工作波长上限，单位为nm;B为线路码的速率，其单位为为线路码的速率，其单位为Tbit/s。22)(71400BDLv光纤通信系统的中继距离受损耗限制时由式光纤通信系统的中继距离受损耗限制时由式(8.1)确定；确定；中继距离受色散限制时由式中继距离受色散限制时由式(8.2)和式和式(8.3)确定。从损确定。从损耗限制和色散限制两个计算结果
19、中，选取较短的距离，耗限制和色散限制两个计算结果中，选取较短的距离，作为中继距离计算的最终结果。作为中继距离计算的最终结果。中继距离的确定中继距离的确定例题：某例题：某140Mb/s光纤通信系统的参数为：光纤通信系统的参数为：光发送机最大发光功率光发送机最大发光功率Pmax=-2 dBm光接收机灵敏度光接收机灵敏度Pr=-43 dBm光纤衰耗系数光纤衰耗系数a=0.4 dB/km求其最大中继距离。求其最大中继距离。v除上述参数外，其它参数可做如下取值：设备除上述参数外，其它参数可做如下取值：设备富余度富余度ME3dB；活接头损耗活接头损耗AC0.5dB；每每公里接续损耗公里接续损耗as=0.0
20、5/2=0.025dB；光缆富光缆富余度余度mc=0.1 dB/km。v如果采用如果采用NRZ码调制，则光发送机平均发送光功率应该是码调制，则光发送机平均发送光功率应该是最大发光功率的一半，即最大发光功率的一半，即Pt=-2-3-5 dBm。把上述数据代入（把上述数据代入（8.1）式：）式：v下面举一个实例来说明如何综合考虑中继距离的计算。下面举一个实例来说明如何综合考虑中继距离的计算。v140 Mb/s单模光纤通信系统平均发射功率单模光纤通信系统平均发射功率Pt=-3 dBm,接接收灵敏度收灵敏度Pr=-42 dBm，设备余量，设备余量Me=3 dB，连接器损耗，连接器损耗c=0.3dB/对
21、，光纤损耗系数对，光纤损耗系数f=0.35 dB/km,光纤余量光纤余量m=0.1 dB/km，每，每km光纤平均接头损耗光纤平均接头损耗s=0.03 dB/km。线路码型为线路码型为5B6B,|D|=3.0 ps/(nmkm)，=2.5 nm。求。求中继距离。中继距离。v先按损耗受限求其中继距离。先按损耗受限求其中继距离。由（由（8.1）式可求其中继距离：）式可求其中继距离：)(741.003.035.03.023)42(3kmLv再按色散受限求其中继距离。再按色散受限求其中继距离。因为光源为多纵模激光器，所以取因为光源为多纵模激光器，所以取0.115，于于是由（是由（8.2）式得）式得两个
22、中继距离值相比较，显然此系统为损耗受限系两个中继距离值相比较，显然此系统为损耗受限系统，其最大中继距离应为统，其最大中继距离应为74km。)(971.20.316810115.06kmL 已知某光纤通信系统的光发送机光源的已知某光纤通信系统的光发送机光源的入纤功率为入纤功率为2mW，光纤损耗为，光纤损耗为0.5dB/km，光纤平均接头损耗为，光纤平均接头损耗为0.1dB/km，光接，光接收机最大允许输入光功率为收机最大允许输入光功率为32W,光接收光接收机的动态范围可达机的动态范围可达19dB，系统富余度，系统富余度7dB。试核算在无中继传输距离分别为。试核算在无中继传输距离分别为15km、4
23、0km、60km情况下，该系统能情况下，该系统能否正常工作否正常工作?pmax=101g(32103)=15 dBm PT=101g2=3 dBm 已知已知 DR=19 dB =0.5 dB/KM 1=0.1 dB/KM M=7 dB 根据动态范围的定义：根据动态范围的定义：D=PmaxPmin 得得 Pmin=PmaxD=1519=34 dBm 由由 PT=Pmin+Lmax(+1)+M 得得 Lmax=(PTPminM)/(+1)=(3+347)/0.6=50 Km Lmin=(PTPmaxM)/(+1)=(3+157)/0.6=18.3 Km 18.3L50 显然在无中继传输距离为显然在无中继传输距离为40Km的情况下，系统能正常工作；的情况下，系统能正常工作；在在15Km、60Km的情况下系统不能正常工作。的情况下系统不能正常工作。
